基于APM自动驾驶仪四轴飞行器自动巡航设计

叶均磊 魏金 袁晨宇 雷劭雨 杨荣强

摘要：本项目研究四轴飞行器自动巡航设计方案。通过分析四轴飞行器的结构和飞行原理，同时根据Ar-duPilotMega自动驾驶仪（简称 APM 自动驾驶仪）的性能特点、硬件构成，提出了一种四轴飞行器搭载APM 自动驾驶仪的自动巡航设计方案。设计的四轴飞行器具备空间定位，低空巡航等基本功能。经过检验得出，四轴飞行器能较好稳定于APM 自动驾驶仪平台上，该设计方案符合四轴飞行器自动巡航的要求。

关键词：APM自动驾驶仪;Mission Planner地面站;四轴飞行器;自动巡航;PID控制算法

0  引言

四轴飞行器通过电机传动装置，遥控操纵其飞行姿态的一种飞行器。其结构简单，同一水平面上具有4个形状大小相同的对称螺旋桨，4个电机安装在飞行器支脚架末端，动力装置、传感控制器及其他外载设备固定在支角架上。随着电子电工技术、传感器技术和工程控制理论的不断发展，使四轴飞行器的自动巡航控制得以实现，并得到了广泛的关注和研究。通过低成本的APM自动驾驶仪能较好的实现四轴飞行器自动巡航。APM自动驾驶仪携带多种功能性模块，通过Mission Planner地面站进行监控组成一套四轴飞行器自动控制系统。自动巡航的四轴飞行器使用操作方便，广泛应用于侦查、空中电子对抗、航拍测绘、安保领域、基础设施检测、勘测设计、项目施工进度检查、污染物排放监测和生态环境保护等。

1  飞行器结构特性与飞行机理

1.1 结构特性

四轴飞行器的螺旋桨分别安装在对称的X型布局结构的4个顶点的电机上，分为前后和左右两组。当螺旋桨开始动作时，四轴飞行器机身受到的反扭矩方向与螺旋桨的旋转方向相反，因此当电机0和电机2带动螺旋桨逆时针旋转时，电机1和电机3带动的螺旋桨必须顺时针旋转，从而平衡螺旋槳对飞行器机身的反扭矩。通过调节电机的转速来实现对四轴飞行器在空间6个自由度的控制，就可以进行相应的飞行动作。图1所示为四轴飞行器的结构特性图。

1.2 飞行机理

在稳态状态下，螺旋桨的转速所产生的升力等于飞行器自身重力时，飞行器保持空中悬停状态。飞行器任何一组对角螺旋桨转速等量增大或减小而另一组对角螺旋桨转速不变时，飞行器进行偏航运动。4个螺旋桨转速等量增大或减小时，飞行器进行竖直向上或竖直向下的运动。任何一个螺旋桨转速增大或减小时，其对角螺旋桨转速相应的等量减小或增大时，飞行器向螺旋桨转速减小的方向倾斜，进行俯仰运动或滚转运动。图2所示为四轴飞行器的飞行机理图。

2  系统功能与总体方案设计

控制系统是由四轴飞行器、Mission Planner地面站和航模遥控器等组成。操作人员通过Mission Planner地面站规划四轴飞行器巡航路线，将路径数据下载到自动巡航控制模块。四轴飞行器使用12.6V的2200ma 3S锂电池供电，在巡航途中遇到无法处置的情况时，则可以切换手动模式进行相关操作，以免产生不必要的麻烦。GPS模块和气压计模块可以获取处于动作状态下的四轴飞行器的经纬度坐标和飞行高度数据，APM自动驾驶仪使用 3DR数传模块进行通信，MP的连接波特率为 57600，保证了四轴飞行器的数据传输，同时数据显示在Mission Planner地面站上，进而实现了人机交互的可操作性和和准确度。如图3所示四轴飞行器功能框架图。

3  系统硬件设计

3.1 APM飞控系统

自动巡航系统是控制飞行器按照规划路线进行飞行。此功能需要多种模块之间相互协调配合。根据四轴飞行器实际功能要求，系统包括MCU-ATMEGA2560主控制器、NEO-M8N GPS模块、气压计模块、3DR数传模块以及电源。主控制器获取处理传感器的信息，PID控制算法解析出电机的转速，通过I2C端口发送给电机调速器，气压计检测飞行器的高度，数传模块用于传输控制指令，电源提供动力，最终实现四轴飞行器自动巡航。如图4为APM自动驾驶仪硬件图。

3.2 主控制器

MCU-ATMEGA2560-16AU为低功率CMOS 8位微控制器，强化了高级的RISC架构，可以全静态操作。通过在一个单时钟循环中执行强大的指令，MCU-ATMEGA2560-16AU可达到接近1MIPS/Hz的吞吐量，拥有SPI、USART、I2C三种嵌入式接口类型，其CPU处理速度为16MHz，能够优化针对处理速度的能量消耗。广泛应用于时钟与计时、电机驱动与控制、传感仪器、嵌入式设计与开发等方面。

3.3 GPS模块

通过NEO-M8N GPS模块来获取经纬度数据，NEO-M8N GPS模块其中包括HMC5883L数字罗盘，保持低功耗，具有很高的灵敏度和出色的接收能力。该模块具有陶瓷贴片天线的有源电路，并封装在塑料盒中以保护模块不受器件影响，以10Hz的频率输出精确位置更新，NEO-M8N GPS配置为38400的波特率运行，同时接受GPS/QZSS，GLONASS和北斗的信号，如图5所示为GPS模块硬件图。

3.4 气压计模块

通过MS5611气压计测量四轴飞行器的高度。MS5611气压计是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C总线接口的新一代高分辨率气压传感器。分辨率可达到10cm，适合高度测量。传感器模块具有一个高线性度的压力传感器和一个24位低功耗的AD转换器，其内部有工厂校准系数。提供了一个精确的24位压力值、温度值以及不同的操作模式，可以优化转换速度和电流消耗。尺寸小，便于集成，具有高稳定性以及非常低的压力信号滞后。

3.5 无线数传模块

3DR无线数传是APM自动驾驶仪的一个数传模块，数传模块接收频率时433MHz，功率是100MW，有效距离约500m。用USB线插上电脑端，经调试后连接到地面站，无线数传能实时传输飞行数据到地面站，有利于监控和调试飞行器。

4  系统软件设计

4.1 姿态控制设计

四轴飞行器在运动过程中容易受到各种外在因素的作用。控制系统通过传感器获取飞行器的姿态信息，PID控制算法解析出电机的转速，通过I2C端口发送给电机调速器，实现对飞行姿态的控制。其主要功能：

①主控制器获取处理相关信息;

②传感器同步监测飞行器的状态;

③主控制器与Mission Planner地面站进行数据交换;

④系统能进行数字传输。

4.2 电机串级PID控制

串级PID控制采用角度和角速度两级PID，稳定性、准确性和快速性较强。电机由双环控制，主测量单元与主控制器组成外环的闭合回路，副测量单元和副控制器组成内环的闭合回路。串级控制是采用一个测量单元和两个反馈回路形成闭环来获取和克服系统干扰，修正误差保持稳态。如图6所示。

主测量单元Gacc（s）：测量系统当前的姿态角。姿态角是姿态解算结果中的最优估计值。

主控制器Wacc（s）：姿态角控制器，控制方法为比例控制（P），其输入为姿态角的误差，即姿态角期望减去当前姿态角，姿态角控制器的输出结果是角速度期望。

副测量单元Ggyro（s）：测量系统当前的角速度。角速度值是状态估计得到其最优估计值。

副控制器Wgyro（s）*G1（s）：角速度控制器，控制方法为比例-积分-微分控制（PID），其输入为角速度误差，即角速度期望减去当前角速度，角速度控制器的输出结果为电机的控制量。

系统的期望值与主测量结果输入给外环主控制器，外环主控制器的输出与副测量结果作为输入给内环副控制器。而副控制器的输出会最终影响执行器的执行结果。

当飞行器出现扰动姿态角没有发生变化时，主控制器不能预知系统的角度误差，但是副控制器的测量单元可以感知角速度的变化，可以反馈给副控制器，副控制器针对角速度的误差进行PID控制得到输出，交给执行器使飞行器快速消除误差，保持稳态。另一方面主控制器得到一个期望姿态角度，姿态期望减去主测量单元的测量值得到主控制器的输入误差，主控控制器通过P控制得到角速度期望，此时角速度期望减去副测量单元的测量值得到角速度误差，并将此误差输入给副控制器，副控制器通过PID控制得到输出，交给执行器使飞行器快速消除角速度误差，使得飞行器在期望的姿态角状态下保持稳定。

内环回路提高了控制系统的控制精度和响应速度。内环控制的物理量比外环控制的物理量更加敏感，更加快速。对飞行器的位置达到有效的控制，并且能够快速感知和消除扰动，将位置控制作为外环主控制器，将速度控制作为内环副控制器，因为速度比位置变化更敏感，更快速。

4.3 Mission Planner地面站

控制系统在接收到Mission Planner地面站发来的坐标信息进行存储，通过PID控制算法解析出电机的转速，从而修正四轴飞行器的飞行姿态，四轴飞行器达到设定的飞行高度时开始飞向目标航点。Mission Planner地面站流程如图7所示。

5  结语

本文详述了一种四轴飞行器基于APM自动驾驶仪自动巡航系统的软硬件设计方案，模块化的框架式硬件设计，使系统具有优异的再开发性和可移植性。MCU-ATMEGA2560主控制器具有多个外设接口和高效的计算能力，NEO-M8N GPS，MS5611气压计，3DR数传等模块保证了四轴飞行器飞行稳定性。本文所设计的四轴飞行器操纵简单，稳定性和拓展性好等优点，经过反复实验，四轴飞行器能够在相对高度下自动巡航。

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